Главная | Обратная связь

Анализ надёжности противоаварийных систем

Анализ надёжности ПАС, как и любых других сложных систем, может осуществляться априорно (до) и апостериорно (после) нежелательного события, которым в данном случае является отказ системы. Оба вида анализа дополняют друг друга. При априорном анализе выбираются такие нежелательные события (отказы ПАС), которые являются потенциально возможными для рассматриваемой системы, а затем составляется набор различных сценариев, которые могут привести к их появлению.

Цель априорного анализа надёжности ПАС состоит в том, чтобы определить: - решения по предупреждению и снижению частоты отказов элементов и системы в целом; - рациональной кратности резервирования элементов и каналов системы; - исключению различного рода зависимостей элементов и потенциально возможных отказов по общей причине; - предотвращению или снижение вероятности отказов из-за ошибок персонала; периоду и объёму регламентных проверок работоспособности; - объёму контроля за состоянием элементов и системы в целом в процессе эксплуатации; времени её вывода в ремонт; - требуемому уровню надёжности вновь разрабатываемых элементов.

Достижение этих целей позволяет определить возможные причины отказа ПАС, последствия отказа отдельных элементов, а также оценить надёжность системы в целом.

Целью апостериорного анализа является разработка рекомендаций на будущее.

Анализ надёжности ПАС включает качественный и количественный анализ на основе детерменистского и вероятностного подходов.

Детерменистский подход предполагает анализ последовательности развития отказов в системе от исходного состояния через все возможные стадии до конечного установившегося состояния. При этом анализ проводится в предположении проектных аварий и принципа единичного отказа. Проектные исходные события, последующие эффекты, критические пределы безаварийной работы являются следствием накопленного опыта и инженерной интуиции. При детерминистском подходе к анализу надёжности сценарий развития отказов описывается качественно.

При вероятностном подходе рассматриваются всевозможные отказы, а также любое количество отказов с доведением результатов анализа надёжности “ до числа”. Основой вероятностного подхода является системный анализ всех мыслимых сценариев отказов, а также их последовательное исследование, включая исходные события и пути развития отказов.

Применение вероятностного анализа позволяет установить приоритеты, а также выбрать направления исследования надёжности ПАС и технических способов её обеспечения. Сравнительный анализ возможных технических решений и вероятностные оценки позволяют не только сделать обоснованный выбор решения задачи обеспечения требуемой надёжности ПАС, но и исследовать чувствительность результатов к изменениям тех или иных параметров и действующих факторов. Таким образом, вероятностный подход позволяет выделить наиболее тяжёлый сценарий развития событий, обосновать оптимальную надёжность и соответствующий ей конкретный проект противоаварийной системы. Ограничения в использовании вероятностного подхода связаны с недостаточностью данных для проведения анализа, а также знаний о потенциальной опасности тех или иных отказов, имеющих общие причины. При анализе надёжности ПАС вероятностный и детерминистский подходы используются совместно, дополняя друг друга.

Качественный анализ надёжности ПАС включает в себя следующие этапы:

- определение границ системы, её состава, функций, алгоритма работы, критерия отказа;

- классификацию и анализ элементов системы;

- определение возможных отказов по общей причине;

- анализ влияния на состояние системы возможных ошибок персонала в процессе управления, технического обслуживания, проверок и т.п. ;

- определение возможных последствий отказов элементов и ошибок персонала;

- анализ структуры системы для выявления слабых звеньев.

Основной проблемой при анализе является установление границ системы. Чрезмерное ограничение приводит к получению разрозненных несистематизированных мер по обеспечению надёжности в результате недостаточного внимания к некоторым опасным сценариям развития событий, чрезмерное расширение к крайней неопределённости анализа.

При анализе элементов системы рассматривают принцип действия, продолжительность работы в аварийном режиме, вид отказов и их причины, характер контроля в процессе работы, ремонтопригодность, влияние периодического контроля на работоспособность элементов.

Классификация элементов по принципу действия делит их на активные и пассивные. Последние при отсутствии у них движущихся частей при количественной оценке, как правило, рассматриваются как абсолютно надёжные.

Режим функционирования ПАС включает в себя режимы ожидания и работы. В режиме ожидания система находится в состоянии постоянной готовности и включается в режим работы при возникновении аварийной ситуации, выполняя возложенные на неё функции. Время, в течение которого ПАС срабатывает, может составлять от нескольких секунд (для управляющих систем) до нескольких месяцев (для защитных систем). По этому признаку элементы делятся на элементы длительного и кратковременного действия.

По характеру контроля за состоянием элементов в режиме ожидания они могут быть неконтролируемыми, периодически контролируемыми и непрерывно контролируемыми, а по ремонтопригодности- восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми в режиме ожидания и работы.

Периодическая проверка работоспособности элементов ПАС может производиться с выводом и без вывода их действия.

Отказы могут произойти в любом режиме работы системы. Среди отказов в режиме ожидания различают функциональные отказы, после которых элемент не способен выполнить свои функции, и ложные срабатывания, нарушающие нормальный процесс эксплуатации.

Отказы могут быть выявляемыми, обнаруживаемыми в момент их возникновения с помощью предусмотренных средств контроля, и скрытыми, обнаруживаемыми при проведении проверок работоспособности или срабатывании при возникновении аварийной ситуации на ПООЭ или опасной технологической установке (ОТУ).

Для режима работы ПАС характерны выявляемые функциональные отказы.

Классификация элементов по видам отказов производится на основе анализа их причин, т.е. явлений и процессов, вызывающих отказ и его последствия.

Для выявления потенциально опасных отказов и противодействия им производится анализ последствий отказов и ошибок обслуживающего персонала. В соответствии с режимами работы ПАС анализ состоит из двух этапов.

На первом этапе анализируются последствия отказов элементов в режиме ожидания ПАС на процесс нормальной эксплуатации ПООЭ. На втором этапе при каждом из рассматриваемых в проекте исходных событий оцениваются последствия для ПООЭ возникновения одного или более отказов элементов ПАС в соответствии с требованиями нормативных документов для ПООЭ или ОТУ. На каждом этапе учитываются также ошибки персонала и отказы по общей причине.

В процессе анализа надёжности ПАС могут быть допущены грубые ошибки, если все отказы рассматривать как независимые события. Некоторые из них могут происходить по общей причине. Целью анализа отказов по общей причине является их учёт и, главным образом, определение мер предотвращения.

Отказы по общей причине, как уже говорилось, происходят вследствие наличия общего фактора для рассматриваемых систем и устройств. По возможным источникам отказов они могут быть обусловлены:

- внешним или внутренним воздействием, например, землетрясением или соответственно пожаром;

- отказом какого- либо общего элемента или подсистемы, от которых зависит функционирование рассматриваемой системы. Такие отказы носят название структурно- функциональных отказов;

- общностью конструкции с дефектом, обусловленным недостаточностью знаний о происходящих процессах, ошибками в технической документации при разработке системы, использованием неподходящих или некачественных материалов, общностью условий работы. В этом случае отказы называются отказами общего вида;

- ошибками персонала, связанными с общностью способов наладки, калибровки, технического обслуживания, ремонта и других действий в процессе эксплуатации;

Устранение отказов по общей причине возможно при введении специальных мер по исключению различных видов зависимостей между устройствами, каналами, системами. Эффективной мерой защиты ПАС от отказов по общей причине, обусловленных возникающими при аварии ПООЭ окружающими условиями, является разделение её каналов с размещением их в независимых помещениях. Естественными мерами защиты являются ослабление действующих на ПАС условий, возникающих при аварии, и обеспечение необходимых запасов устойчивости. Отказы, связанные с общностью конструкции, техническим обслуживанием, проверками предотвращаются использованием разных принципов действия; разных физических явлений, на которых основано срабатывание; привлечением для проверок системы разных исполнителей.

При анализе структуры ПАС широко используется так называемое «дерево отказов» или последовательно- параллельная логическая схема. Это связано с тем, что любой отказ реализуется при наличии определённых условий или причин. По этому между ними всегда существует причинно- следственная связь. Всякий отказ выступает следствием некоторой причины, которая является следствием другой причины и т.д. Таким образом, причины и отказы образуют иерархические структуры, графическое изображение которых напоминает ветвящееся дерево, получившее название «дерева отказов».

Связь элементов в дереве отказов осуществляется с помощью логических операторов «И», «ИЛИ» и других. В простейших случаях, ограниченных применением операторов «И» и «ИЛИ», может быть построена последовательно- параллельная логическая схема, более наглядная при представлении критических групп элементов.

Оператор «И» обозначает операцию логического умножения (конъюнкции) и применяется при параллельном соединении элементов, когда отказ системы связан с отказом всех элементов.

Оператор «ИЛИ» обозначает операцию логического сложения (дизъюнкции) и применяется при последовательном соединении элементов системы, когда отказ системы связан с отказом хотя бы одного из её элементов.

Построение дерева отказов начинается с определения отказа системы, который представляет собой вершину дерева. Затем определяются виды отказов каналов, блоков, элементов, ошибок персонала, которые могут привести к отказу системы. Осуществляется последовательная углублённая детализация причин отказа системы с использованием логических операторов, создающая ветви дерева. Дальнейшие действия, создающие основание дерева, связаны с разветвлением его ветвей до уровня элементов и событий, для которых существуют вероятностные характеристики.

В качестве примера рассмотрим простейшую противоаварийную систему, состоящую из управляющей подсистемы и исполнительного органа, обеспечивающих отключение опасной технологической установки при переходе её в аварийный режим работы. Управляющая система имеет основной и резервный каналы, каждый из которых состоит из датчика, реагирующего на аварийный параметр ОТУ, и блока, формирующего управляющий сигнал. Исполнительный орган активный, питающийся от основного и резервного источников питания. Под отказом ПАС будем понимать несрабатывание исполнительного органа. Дерево отказов такой системы и последовательно- параллельная логическая схема представлены на рис. 2.21 и 2.22.

Использование дерева отказов и последовательно- параллельных схем позволяет в графическом виде представить условия работоспособности и неработоспособности системы, т.е. правила, позволяющие определить её состояние в зависимости от состояния элементов; последовательно проследить всевозможные комбинации отказавших элементов, ошибок персонала, вызывающих отказ системы в целом; установить критическую группу элементов, отказ которых приводит к отказу системы.